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摘要利用计算流体力学软件 FLUENT 研究圆柱在黏性不可压缩空气中的绕流问题,选取不同的雷诺数进行数值模拟，研究圆柱绕流的流动状态随着雷诺数增大的变化过程，并把不同雷诺数下数值模拟计算得到的阻力系数与实验值进行对比。除此之外，在湍流状态下采用 Spalart-Allmaras 模型，剪切压力传输（SST） k-ω模型和大涡模拟模型(LES)三种湍流模型进行数值模拟， 比较不同湍流模型在圆柱绕流问题上的优缺点。结果发现：数值模拟计算的到的阻力系数与实验值有很好的一致性；三个湍流模型中，Spalart-Allmaras 模型对计算网格精度要求低，计算方便；SST k-ω模型的对壁面网格的精度要求高，但计算耗时长；大涡模拟模型(LES)能够更好地模拟湍流下的圆柱绕流流动状态。19295
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关键词 圆柱绕流 雷诺数 湍流模型 阻力系数
Title Numerical Simulation of Flow Around a Cylinder
Abstract
Computational fluid dynamics software FLUENT is used to research
incompressible air flow around a cylinder. Different Reynolds numbers are
selected to research the change process of the state of flow around a
cylinder，and the drag coefficients obtained from numerical simulations
under different Reynolds numbers are compared with the experimental
values.In addition, use the Spalart-Allmaras model, the shear stress
transport (SST) k-ω model and large eddy simulation model (LES) to
research flow around a cylinder under turbulent flow conditions,compare
the advantages and disadvantages of different turbulence models in dealing
with the issue of flow around a cylinder.It is concluded that the drag
coefficients and the experimental values are in good agreement.
Spalart-Allmaras model can be found on the computational grid with low
accuracy, and it is easy to calculate;The shear stress transport (SST)
k-ω model needs the grid on the wall very high, and the time used to
calculate is long; large eddy simulation model (LES) can better simulate
the flow around a cylinder under turbulent flow conditions.
Keywords flow around a cylinder Reynolds number turbulence model
drag coefficient目次
1 绪论.1
1.1 研究背景.1
1.2 圆柱绕流的研究进展.1
1.2.1国外研究进展1
1.2.2国内研究进展2
1.3 研究内容.4
2 理论基础.5
2.1 控制方程.5
2.2 湍流理论.6
2.2.1湍流流动的数学描述6
2.2.2 湍流模型.6
2.3 相关无量纲参数.11
2.3.1雷诺数11
2.3.1阻力系数和升力系数12
3 不同雷诺数下的圆柱绕流数值模拟.14
3.1 二文圆柱绕流的数值模拟.14
3.1.1网格划分14
3.1.2 层流状态数值模拟结果.14
3.1.3 湍流状态数值模拟结果.21
3.2 LES方法数值模拟三文圆柱绕流24
3.2.1网格划分24
3.2.2数值模拟结果24
结论.28
致谢.29
参考文献.30
1 绪论
1.1 研究背景
圆柱绕流是流体力学研究的经典问题之一，不同流动条件下呈现出的丰富复杂的
绕流现象使这一问题成为我们理论分析，实验研究和数值模拟的重要流体问题。但是
由于直接求解N-S 方程的困难和湍流理论的不完善，理论分析不能很好的展示圆柱绕
流的所有情况，而实验研究需要在模拟条件中完成，而大部分的实验设备都不能完全
满足所有相似定律的要求，因此，实验研究也受到了不少的限制。但是计算机技术的
迅猛发展使得CFD (Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)方法已经有了长
足的进步，CFD 方法已被广泛应用于研究复杂的流体流动问题中。
圆柱绕流是常见的钝体绕流现象之一，与现实生活中的很多情况切合，如风掠过
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